1、第三章第三章 地球的结构构造地球的结构构造第一节第一节 地球的层圈划分地球的层圈划分第二节第二节 地球的外部层圈地球的外部层圈第三节第三节 地球的内部层圈地球的内部层圈第四节第四节 岩石圈的基本特征岩石圈的基本特征第一节第一节 地球的层圈划分地球的层圈划分 地球具有圈层结构。每个圈层都有自己的物质组成、运动特征和物理、化学性质。对地质作用各有程度不同的、直接或间接的影响。以地表为界分为内圈和外圈，它们又可再分为几个圈层。一、地球外圈及其划分依据一、地球外圈及其划分依据 地球表面以上，根据物质性状可以分为大气圈、水圈和生物圈。它们包围地球，各自形成连续完整的圈层。大气圈 无线电探空气球、人造气象
2、卫星，或借助太阳辐射、宇宙线等粒子与大气起作用-大气圈的内部理化状态。宇宙飞船-高空大气层。水水 圈圈 陆地水体了解得比较多，对于海洋水体，20世纪初开始用回声测深仪、超声波回声测深仪测量海水深浅的连续曲线，还能够反映海底物质的性质，采用重力测量和地震测量了解海底地壳的结构。60年代以来，广泛使用深水潜艇和海底照相，不仅可以取得的海水样品，而且还可以拍摄不同深度的生物活动状况；捕取生物标本。对冰层下部的了解不够，还只能用物探方法取得一些间接资料。对生物习性和演化逐步有了系统的认识。大半采自大气下层和水圈以及岩石上层，没有把全球各地的生命物质都全面采样，另外，高山、荒原、密林、沙漠等人迹罕到的地
3、方的生物活动情况了解不够，它们的地质作用还不太清楚。生物圈生物圈二、研究地球内部状况的依据二、研究地球内部状况的依据 地球的半径为6371公里，目前最深的钻孔不过10公里左右，只能根据地表附近得到的有关资料进行分析推测地球内部的物质成分和物理特点，主要是根据宇宙地宇宙地质、质、地质学及地球化学、地球物理地质学及地球化学、地球物理三方面的综合研究。(一一)宇宙地质的依据宇宙地质的依据 太阳系内其它天体的物质成分可以作为推断地球内部物质成分的参考。最有实际意义的是其它星体的碎块-陨石。其成分三类：铁陨石铁陨石 为铁镍的天然合金，是含有相当数量镍的铁的硫化物。石陨石石陨石 主要由橄榄石、辉石等铁镁硅
4、酸盐矿物组成。铁石陨石铁石陨石 为上述两种的过渡类型。“球粒陨石球粒陨石”，其成分属含铁的石陨石。地球内部成分与铁陨石和石陨石大致相当，为铁镍和接近超基性的岩石。(二二)地质学及地球化学依据地质学及地球化学依据1、根据地质学研究，来自深源的岩石性质表、根据地质学研究，来自深源的岩石性质表明，地球深部应是超基性岩或类似的岩石。明，地球深部应是超基性岩或类似的岩石。超基性岩，常常沿一些深大断裂分布，含金刚石的金伯利岩，原生的金刚石产于金伯利岩中。金刚石的生成要求：T=11002200C，P=5万个大气压D=150公里。所以金伯利岩肯定源于150公里以下。金伯利岩中榴辉岩包体，也是深源岩石。玄武岩中
5、的橄榄岩包体，富镁。2、一些地球化学标志可以证实地质推断、一些地球化学标志可以证实地质推断 某些稳定同位素的比值，其中研究较多的是O、S、C、Si和H等。地球内部物质应当也具有同一比值，地球表层物质则因经历了后来的各种地质作用，可能会产生同位素的分异，使比值改变。(三三)地球物理依据地球物理依据 最有意义的是重力学和地震学，它们可以用来推断地球内部结构、状态和物理性质。一、大气圈一、大气圈 (atmosphere)1、大气圈是包围着地球的气体，厚度在几万公里以上，以地球表面的大气最稠密，向外逐渐稀薄，过渡为宇宙气体，没有明确的上界。2、大气圈总质量约5.136l021克。3、大气密度和压力与温
6、度和高度成反比。4、大气成分随高度而不同。100公里高度以下的大气是空气，由18种气体混合组成，主要成分是N2和O2，次要成分CO2、O3、H2O等。第二节第二节 地球的外部圈层地球的外部圈层 5、根据大气温度、密度等大气物理特征可以把大气圈自上而下分为：外逸层 热成层（85-360）中间层（50 -85km）平流层（9 or 1850km）对流层（09 or 18km）与我们关系最密切的是对流层，其次是平流层。臭氧在平流层下部（2035km）最集中。二、水圈二、水圈 (hydrosphere)赋存方式与状态赋存方式与状态 水圈是地球表层的水体，陆地水和海洋水是水圈的两大组成部分，此外在大气下
7、层和生物中也含有水分。它们的物质成分和物理性质是有差别的。1、水圈的化学成分、水圈的化学成分 盐度盐度(salinity)-l公斤水中所溶解的全部盐类的重量称为盐度。淡淡 水水-盐度小于0.3，半咸水半咸水-盐度大于0.3，小于24.695。咸咸 水水-盐度大于24.695。海洋水的平均盐度为35。河水和泄水湖水总是淡水，因为流动的水不易集中大量盐分，不泄水湖大都是咸水，而且盐度相当高。海洋咸水与陆地淡水溶解盐分比例不相同。海洋咸水与陆地淡水溶解盐分比例不相同。海洋咸水主要盐分Cl-SO42-HCO3-Na+Mg2+Ca2+；陆地淡水主要盐分HCO3-SO42-Cl-Ca2+Na+Mg2+。2
8、、水圈的物理性质、水圈的物理性质 (l)、密度大小决定于盐度、温度和压力。(2)、压力随深度增加而增大。(3)、温度主要来自太阳辐射热。(4)、比热比固体的大几-几十倍，因而有很大热容量，可以调节气温。(5)、颜色和透明度与光线有关系，水体在不同深度吸收不同的太阳光谱线。三、生物圈三、生物圈(biosphere)生物圈是地球上生物生存和活动的范围，包括动物、植物和微生物。在大气圈10公里高空、地壳3公里深处和深海底都发现有生物存在，大量生物集中在地表和水圈上层。1、生物的分布、生物的分布 生物分布很广但不均匀，在阳光、空气和水分充足而温度适宜的地区生物多，反之则少。不同的自然环境(高山、平原、
9、深海、浅海、极地、沙漠等)有不同的生物组合和生态特征。按照“推今及古”的原则从古代生物遗骸的生态特征来推断当时当地的自然环境。必须根据生物组合的共性推断。2、生物圈的成分、生物圈的成分 生物圈的化学成分生物圈的化学成分-极其丰富，最主要的是氧、碳、氢、氮四种元素，其次为钙、钾、硅、镁等，它们具有重要的生物化学功能。生物地质作用生物地质作用-生物圈使自然界(大气、水、岩石)的各种元素（特别是碳、氢、氧、氮等元素和一些金属元素）不断通过生物光合作用和呼吸作用产生复杂的化学循环，使地表物质成分变化。第三节第三节 地球的内部层圈地球的内部层圈 大量天然地震波传播方向和速度的研究表明，地震波在地内传播的
10、速度在横向和纵向上都有变化。地壳或岩石圈里波速的横向变化明显，表明地壳结构复杂和成分不均匀。更深处横向变化小，纵向变化大，并且在几个深度上波速有较明显的变化，说明地球内部物质呈同心圈层结构。地震波传播速度愈深愈大，在某些深度还有突变。地震波速度变化明显的深度，反映该深度上下的地球物质在成分或（和）物态上有改变，这个深度就可作为上下两种物质的分界面，地球物理学上叫它为不连续面不连续面或或叫叫界面界面(discontinuity)。地球内部有两个波速变化最明显的界面：地球内部有两个波速变化最明显的界面：第一个界面第一个界面（VP为7.6/8.0 km/s，VS为4.0/4.4 km/s）深度不一致
11、，大陆区深，可达70公里；大洋区较浅，最浅不足5公里，是南斯拉夫地球物理学家莫霍罗维契奇于1909年发现的，称(Mohorovicic discontinuity)，简称莫霍面莫霍面(Moho)。第二个界面（VP为13.32/8.1 km/s，VS为7.11/0 km/s）深度在地表下约2900公里处，是美国地球物理学家古膝堡于1914年提出的，称(Gutenberg discontinuity)，简称古膝堡面古膝堡面。根据这两个界面把地球内部分为三大圈，即地壳、地幔和地核。再根据次一级界面把地壳分为上地壳和下地壳、地幔分为上地幔(又分两层)和下地幔，地核分为外核、过渡带和内核。A（地壳）、B
12、（上地幔上部）、C（上地幔底部）、D（下地幔）、E（外核）、F（过渡带）、G（内核）。一、地壳一、地壳(crust)地壳由固体岩石构成，下界为莫霍面。地壳的厚度变化很大，大洋地壳较薄，最厚约9公里，最薄处不到5公里，平均厚6公里；大陆地壳较厚，最厚处可达70公里(如青藏高原)，平均厚33公里。地壳下界起伏不平，平均厚度约16公里。地壳由上、下两层组成，其间有一个次级的界面叫康拉德面康拉德面(Conrad D)，这个界面并不到处都存在。1、上地壳叫硅铝层、上地壳叫硅铝层(sial)主要成分是氧、硅、铝等轻元素，主要岩石为酸性的岩浆岩和变质岩，如花岗岩、片麻岩等，也叫花岗质层花岗质层(granit
13、ic layer)。这一层只有大陆壳才有，大洋壳缺少此层，因此呈不连续分布。平均厚度约10公里。2、下地壳叫硅镁层、下地壳叫硅镁层(sima)主要成分是氧、硅、铁和镁，岩石为基性岩，如玄武岩，故又称为玄武质层玄武质层(basaltic layer)。大陆下面和大洋下面都有这一层，但陆壳硅镁层的成分不如洋壳硅镁层均匀而混合有大量变质很深的中酸性岩成分，硅镁层厚度不一致。最新的研究表明，大陆下地壳可能相当于闪长质或花岗闪长质。二、地慢二、地慢(mantle)在地壳下面，介于莫霍面和古膝堡面之间，厚度2800多公里。根据地震波速变化以1000公里深度为界分为上、下两层。1、上地幔、上地幔(upper
14、 mantle)在莫霍面以下至1000公里深度之间，主要成分是超基性岩，证据有三：(l)实验研究表明，橄榄石55+辉石35+石榴子石10，在高温高压下传播地震波的速度和密度与天然地震波速和地幔密度可对比，因此命名为地幔岩(pyrolite)；(2)火山喷出物中有超基性岩，这种岩石在地壳中很少存在，应存在于地幔内；(3)根据陨石成分比较，陨石有铁陨石、石铁陨石和石陨石三类，铁陨石相当于地核成分，石铁陨石相当于下地幔成分，石陨石则相当于上地幔成分，尤其是球粒陨石主要是超基性岩成分。上地幔成分相当于一份玄武岩加三份纯橄岩，主要矿物为辉石和橄榄石。上地幔波速有变化，在上地幔波速有变化，在60-250公
15、里间迅速减低，在公里间迅速减低，在100-150公里间波速最低，公里间波速最低，60-250公里间波速减低的公里间波速减低的这一带叫低速带这一带叫低速带(low velocity zone)，其顶界和底界的，其顶界和底界的深度不很确定。深度不很确定。在在400公里处有一次增速，到公里处有一次增速，到650-700公里又有一次公里又有一次较明显增速。通常把较明显增速。通常把400公里界面做为上地幔公里界面做为上地幔 B和和 C两两层的分界。层的分界。B层以层以60公里为界分出公里为界分出 B层和层和B层。低速带属层。低速带属 B”层，层，B层为固体岩石，是超基性岩。层为固体岩石，是超基性岩。低速
16、带内温度较高，接低速带内温度较高，接近岩石熔点，但大多并未近岩石熔点，但大多并未熔化，只有局部区域，不熔化，只有局部区域，不传播横波，表明为液态区，传播横波，表明为液态区，可能是岩浆发源地。可能是岩浆发源地。B”层层在成分上与在成分上与 B层没有差层没有差别，只有物态上的不同。别，只有物态上的不同。400-1000km为为C层。以层。以650km为界又分为为界又分为 C和和 C”两层。两层。在在400公里上下一厚度不大的带内，波速和密度公里上下一厚度不大的带内，波速和密度均迅速增加，这是由相变引起的，橄榄石和辉石均迅速增加，这是由相变引起的，橄榄石和辉石在高温高压下发生晶体结构变化，即相变，橄
17、榄在高温高压下发生晶体结构变化，即相变，橄榄石晶体的原子结构由疏堆集结构变成密堆集结构。石晶体的原子结构由疏堆集结构变成密堆集结构。650-700公里的波速又有明显增加，在这个深度的公里的波速又有明显增加，在这个深度的温度压力下，橄榄石和辉石分离成密度很大的简温度压力下，橄榄石和辉石分离成密度很大的简单氧化物，如单氧化物，如MgO、FeO和和 SiO2，属于高压型矿，属于高压型矿物。物。2、下地幔下地幔(Lower mantle)从1000公里到2900公里深度，波速增加较慢，是压力增加而成分均匀的原故。相变完全停止，矿物仍是MgO、FeO和 SiO2，铁的含量稍增。2750公里到2900公里
18、间100多公里范围有波速较低而密度较高的D”层，是地幔向地核急剧转化的前奏。三、地核三、地核(core)地核以古膝堡面与地幔分界，在2900公里以下，厚度3471公里。地震波速急剧降低，横波中断，表明物质发生巨变。根据地震波速度变化可把地核分为三层，以4640公里和5120公里两个二级界面分为：外核、过渡层和内核三个次一级圈层。1、外核、外核(outer core)由于纵波速度急剧降低，横波不能通过，说明刚性为零，是液体。2、过渡层、过渡层(transition layer)波速变化复杂，测到速度不大的横波，是液态开始向固态过渡的象征。3、内核、内核(inner core)测得纵波和横波，是固
19、体。地核的成分地核的成分主要为铁、镍等。证据一：证据一：相当于铁陨石的成分，即主要是铁，含镍520；证据二：证据二：地磁来源于地核，也证明地核应由高磁性的铁镍所组成；证据三：证据三：冲击波的试验成果。瞬时高压下测定铁、镍传播地震波速度和密度类似于地核。四、软流圈四、软流圈(asthenosphereasthenosphere)岩石圈岩石圈(1(1ithosphereithosphere)（一）（一）软流圈的定义软流圈的定义 软流圈是上地幔中的一个层圈(B”层)，其深度大约为60400公里左右，震波在穿过莫霍面后波速突然增高，但到60400公里深度区间又有下降，然后逐渐上升至正常。这一低速带即软
20、流圈。由于低速带塑性较大，给其上固体岩石的活动创造了条件，因此，构造地质学家把该低速带叫软流圈。（二）（二）软流圈的特点软流圈的特点1、最新研究表明，软流圈可能不具全球性。2、软流圈的边界不清楚，有渐变的性质。3、软流圈界面不平整，有一定起伏，厚度也随之变化。4、软流圈是个塑性较大的层圈，塑性增强的原因是部分熔融。5、软流圈虽是固态，却是液态岩浆的主要发源地。（三）（三）岩石圈的定义岩石圈的定义 软流圈之上的地壳和上地慢B层合称为岩石圈(lithosphere)，包括地壳和软流圈以上的地幔部分，厚度变化大。主要有沉积层、花岗质层、玄武质层和超基性层。第四节第四节 岩石圈的基本特征岩石圈的基本特
21、征一、大陆和海洋的岩石圈一、大陆和海洋的岩石圈 陆壳较厚，平均密度较小；洋壳较薄，平均密度较大。整个岩石圈也是大陆较厚，海洋较薄。海洋为5060公里，大陆则为100200公里或更深。(一一)洋壳洋壳 固体洋壳平均厚6公里左右。分为三层：未固结的沉积物、玄武岩夹少量已固结的沉积岩、玄武岩和辉长岩层。洋壳之下为超基性岩。总的看来，洋壳的厚度变化较小，成分主要相当于基性岩，所以称硅镁层。(二二)陆壳陆壳 陆壳由沉积盖层和基底组成，基底或称结晶基底-由岩浆岩、变质岩等结晶质岩石组成的。岩浆岩和变质岩是陆壳的主体，其中以花岗岩和成分与其相当的片麻岩等为主。陆壳分上、下两层。上部陆壳的成分大致与花岗岩差不
22、多；下部陆壳的波速和密度相当于玄武岩或辉长岩。实验表明，在大陆下部地壳的温压条件下，辉长岩或玄武岩是不稳定的，要变为榴辉岩。而榴辉岩的密度和波速较下部陆壳的实际数据高得多。因此，下部陆壳的成分应偏酸性一些。随着深度增加，地壳中的岩石将发生变质。如麻粒岩(种变质很深的岩石)，其形成的温、压条件相当于地下2530公里深的温压条件，相当于下部陆壳，这些岩石的平均化学成分比较接近中性岩。一些花岗岩浆起源于陆壳深处，因此，认为下部陆壳成分是中性而比基性更为恰当。所以现在大多认为下部陆壳是化学成分接近中性、变质程度较深的变质岩。综上所述，陆壳与洋壳不仅在密度、厚度上有明显差别，而且在物质成分上也有重要区别
23、。此外，陆壳还有以下几个特点：1、厚度变化较大，莫露面起伏较剧。陆壳的正常厚度一股为3040公里，山区可达5060公里，被称为世界屋脊的青藏高原，是地壳最厚的地方，厚达70公里以上。大陆裂谷的地壳一般较薄，常常只有20公里左右。2、结构较为复杂，被许多断裂切割，特别在相邻断块上不同波速的分层有时不能相互对应吻合。3、组成陆壳的岩层常发育着程度不同的褶皱，而在洋壳岩石中则尚未发现。4、已知陆壳岩石最老的年龄为38亿年，洋壳仅2亿年。(三三)大陆边缘的地壳大陆边缘的地壳 在洋壳与陆壳的接触部位，即大陆边缘地区，大陆边缘虽然为海水覆盖，但从地形上分析，应属大陆，不属于海洋。从地壳特点来看，大陆边缘的
24、地壳也属于陆壳，与大陆的地壳是一个整体，只是上面覆盖一层海洋沉积物。根据目前已知的资料，不论是大西洋型，安第斯型或日本海型大陆边缘，陆壳与洋壳都是突变的。在大西洋型的大陆边缘陆壳向海洋虽稍有逐渐变薄的趋势，但仍很厚，一直到大陆坡脚附近，才突然变薄为洋壳。I 安第斯型和日本海型大陆边缘一般以海沟所标示的断裂带为洋壳与陆壳的分界。岛弧和弧后盆地是稍带有过渡性质的地壳。（四）（四）地壳的化学组成地壳的化学组成 克拉克值克拉克值-各种元素在地壳中含量的百分比称为克拉克值。丰度丰度（abundance）-化学元素在地球化学系统中（如地球、岩石圈、地壳、某岩体等）的平均含量。陆壳的平均化学成分陆壳的平均化
25、学成分主要为硅、氧、铝、主要为硅、氧、铝、铁、镁、钙、钾和钠八种元素。铁、镁、钙、钾和钠八种元素。二二 重重 力力 均均 衡衡 现象1：十九世纪在喜马拉雅等大山脉附近进行测量时，发现测量仪器的铅垂线并不正指向地心，而是稍偏向山一侧。这种偏差虽然很小，但经精确研究可求出准确的偏离值。显然，山比般地区高，多出的山从侧面吸引铅锤，使之偏斜。根据山的体积及其岩石的密度，可以按照万有引力定律算出铅锤应当偏离的数值。但是，计算的结果总是大于实际偏离的数据。这表明，山脉的深部(因浅部密度已知，是定值)密度较其它地区低，质量有亏损。所以山旁的侧面引力达不到预期的数值，山有一个密度较轻的“山根”。现象2：大量地
26、形和重力的实测结果，证明随着地势增高，布格重力值降低是一种普遍现象。例如大洋盆地有+250350毫枷的正异常，大陆则为-10.50毫枷的负异常，山区达-200-300毫枷，青藏高原达-500毫枷以上。由于布格重力值已经按照“削高填低”校正了地形的影响，如果海、陆、山地、平原深部质量分布情况一致，则不应当出现异常。为了解释为什么山根密度较低，提出了重力均衡的理论。即认为地球较轻的地壳浮在较重的地幔之上，或者是岩石圈浮在软流圈之上。由于固体可以发生蠕变和流动，所以浮在上面的地块应该象浮在液体上面的木块似的按照阿基米德原理达到重力均衡，两种不同的重力均衡模式模式：模式一：普拉特模式模式一：普拉特模式
27、 假定不论山地或平原，地块的底面深度都相同，低密度的地块地势较高。好象密度大小不同的木块都可以浮在水上，但密度较小的木块必然露出水面要高一些。他认为由于地壳或岩石圈(地壳中某些岩体、岩层)的横向密度不均匀，于是在重力均衡作用造成了地表的高低差别。模式二：艾礼模式 各个地块的密度并无差别，只是厚度不同，较厚的地块下面浸入地幔的深度较大，上面高出地表也较多。好象厚薄不等的同种木块浮在水上，厚木块浸人水中较深，露出水面的高度也高。根据现在运用地震波速等对地壳的研究，艾礼模式比较具有普遍意义，因为莫霍面的深度总是同地形高低起伏相反，即地势越高，莫露面越深，地壳越厚。但是在某些地区，可以看到普拉特模式也
28、在起作用，主要是在洋脊和某些裂谷的下方，确实有横向不均匀在补偿重力均衡。按照重力均衡原理，如果在地表增加或移去部分物质，则会引起原地面的下沉或上升。南极洲和格陵兰岛上巨厚的冰层，把陆块中部压到海平面以下。北欧斯堪的纳维亚和北美哈得逊湾，原有冰盖消融，导致以1-1.5厘米年的速度回升。这些现象都证实，随着地表物质的增减，地壳深部将调整其浸入地幔的深度。支持了固体流变的概念，是证实固体流动的重要证据。重力均衡异常重力均衡异常 一个山脉如果已经完全达到重力均衡，则海平面以下的质量亏损应当正好等于海平面以上多出的质量。按照这一原理，可以计算这个山脉是否已经均衡，并可算出末均衡部分所造成的重力差值，这个差值称为重力均衡异常。END！
